Плазма, полимеры, ингибиторы: рецепт «умного» покрытия для имплантатов от ученых ДВО РАН

История науки знает немало примеров, когда разработки, созданные для одной задачи, находят применение и в других, совершенно разных областях. Например, недавно в Институте химии ДВО РАН создали «умные» защитные покрытия для имплантатов. Изучив уникальные свойства этого материала, ученые пришли к выводу: помимо медицины, он будет также эффективен и в строительстве, авиации, электронике и автомобилестроении.

Из чего создают защитные покрытия нового поколения? Чем магний лучше титана и медицинской стали? И с какими трудностями сталкиваются современные ученые? Об этом порталу Наука.РФ рассказал руководитель проекта, главный научный сотрудник, заведующий молодежной лабораторией электрохимических сканирующих и синхротронных методов исследования гетерогенных и гибридных материалов Института химии ДВО РАН, доктор химических наук, профессор РАН Андрей Гнеденков.

 — Эти технологии позволяют повысить функциональность и эффективность использования материалов в разных областях науки и техники. Например, магниевые и алюминиевые сплавы обладают уникальными свойствами: низким удельным весом и высокой прочностью. Но у этих сплавов есть слабые стороны: высокая коррозионная активность и низкая износостойкость. Это сильно ограничивает область их практического применения.

— Почему вы заинтересовались именно магниевыми сплавами?

 — Для медицины это уникальный биосовместимый материал. Из него можно изготавливать имплантаты для фиксации переломов костей. Одно из главных преимуществ имплантатов на основе магния — они биорезорбируемые. То есть, они будут постепенно растворяться в теле человека. Когда материал выполнит свою функцию, повторные хирургические вмешательства не понадобятся. Изделия из других металлов, например, титановых, циркониевых, кобальтовых сплавов и медицинской стали, на такое не способны.

К тому же магний не является чужеродным элементом для организма человека. Поэтому такие имплантаты не будут отторгаться, пока костная ткань восстанавливается.

— Какие имплантаты можно сделать из магниевых сплавов?

 — В настоящее время эти материалы используют для создания сосудистых стентов, рассасывающихся коронарных скаффолдов (каркасов). Магниевые сплавы являются перспективным материалом для остеосинтеза*.

Но как я уже сказал, такие сплавы являются чрезвычайно коррозионно-активными. Чтобы имплантат не разрушился раньше времени в теле человека, мы разрабатываем для этих изделий покрытия.

— В чем особенности этих покрытий? Почему они называются «умными»?

 — Это биосовместимые материалы, обладающие за счет своего уникального химического состава в том числе противовоспалительными и антибактериальными свойствами.

В будущем подобные «умные» защитные слои (смарт-покрытия) можно использовать не только в имплантационной хирургии, но и в промышленности, аэрокосмической технике, самолетостроении, в автомобильной сфере. С помощью этих покрытий можно увеличить срок эксплуатации деталей из других металлов.

— Благодаря каким технологиям удалось создать «умные» покрытия?

 — В нашем коллективе мы создаем покрытия с использованием метода плазменного электролитического оксидирования (ПЭО)*.

ПЭО-покрытия значительно повышают устойчивость материала к коррозии и износу. Получаемые защитные слои обладают высокой химической стойкостью и адгезией, то есть способностью сцепления («прилипания») с материалом подложки.

Чтобы добиться таких функциональных свойств, нам понадобилось досконально исследовать весь «сценарий» коррозионного процесса. В этом нам помогает уникальная экспериментальная установка по изучению локальной коррозионной активности. В нашем коллективе мы проводим детальный физико-химический анализ свойств материалов, изучаем их электрохимическую активность на микро- и мезоуровне.

Однако у таких ПЭО-покрытий есть недостаток — высокая пористость. Коррозионная среда постепенно проникает через поры к подложке материала и разрушает его. В Институте химии ДВО РАН давно занимаются этим вопросом, проводят различные исследования. Проанализировав результаты экспериментов, наши коллеги пришли к выводу: этот недостаток можно превратить в преимущество, если наполнять поры нетоксичным инертным материалом, например, полимером.

Но наш коллектив пошел дальше: мы начали «загружать» в поры не только материалы инертные, но и активные — ингибиторы коррозии. Так появилась идея о самозалечивающихся (самовосстанавливающихся) защитных слоях на базе ПЭО-покрытий.

— Как выглядит процесс самозалечивания?

 — Если повредить такое покрытие, ингибиторы активируются, вступают в химическое взаимодействие с элементами корродируемого металла — и в результате появляется защитная пленка, которая «затягивает» дефектную зону, не позволяя коррозии распространяться.

Традиционные защитные материалы, например, специальные краски в этом случае не смогут остановить деградацию обработанного изделия. Наши гибридные покрытия можно наносить на алюминиевые, магниевые, титановые, циркониевые сплавы и другие материалы.

— Как долго имплантат с таким покрытием может прослужить?

 — Благодаря этим смарт-покрытиям можно сохранить механическую прочность изделия в течение критического периода консолидации кости. То есть, 12 — 24 недели, при условии синхронизации с остеогенезом (формированием костной ткани).

— Есть ли аналоги у этих защитных покрытий?

 — Над повышением коррозионной стойкости магниевых сплавов работают десятки лабораторий в нашей стране, в том числе в Уфе, Томске, Москве, Тольятти и за рубежом. Тем не менее, наши покрытия являются уникальными за счет своего химического состава. Добавив ингибиторы и полимерные компоненты, мы смогли увеличить срок службы итогового продукта в несколько раз. При этом гибридные ингибитор- и полимерсодержащие покрытия, сформированные на сплавах магния, увеличивают коррозионную стойкость материала в сто тысяч раз. Испытания показали, что по этому показателю наша разработка не уступает лучшим мировым аналогам, а по ряду служебных характеристик превосходит их.

— Как тестировали свою разработку?

 — Хотя мы используем только нетоксичные компоненты, безопасные для окружающей среды и человека, для нас было важно убедиться, что они будут перспективны для биомедицины. Исследования проводились по программе «Приоритет 2030» совместно с Тихоокеанским государственным медицинским университетом. Мы оценивали биосовместимость, включая цитотоксичность, иммунные свойства, канцерогенность для образцов с ингибиторсодержащими смарт-покрытиями. Результаты показали высокий уровень биосовместимости, при этом не продемонстрировали острой, подострой и хронической токсичности и негативного отклика живой системы.

— На какой стадии сейчас находится этот проект?

 — Образцы с защитными покрытиями уже успешно прошли in vitro и in vivo испытания. В ближайшем будущем мы планируем провести доклинические и клинические испытания имплантатов из магниевых сплавов с различными типами покрытий, отобранными по результатам прошедших испытаний.

Мы намерены подтвердить, что этот материал можно безопасно использовать в хирургической практике. В настоящее время разрабатываем способы формирования биосовместимых гибридных покрытий. Мы хотим получить контролируемую коррозионную деградацию биоразлагаемого материала и преодолеть таким образом ограничения при клиническом применении магниевых имплантатов.

— Используете ли искусственный интеллект в вашей работе?

 — Чтобы двигаться в ногу со временем, конечно, необходимо использовать современные механизмы для эффективного решения научной проблемы. Мы задействуем ИИ, когда нужно найти лучшие среди многообразия химических веществ новые соединения, подходящие в качестве ингибитора коррозии. Но мы делаем это на первом этапе, наряду с анализом научной литературы. Найденные с использованием нейросетей вещества следует проверять с помощью естественного интеллекта, который, Слава Богу, никто не отменял.

— С какими вызовами могут столкнуться специалисты в вашей сфере?

 — Самая главная проблема, с которой сталкивается практически любой ученый — это возможное «перегорание»: угасание активности и снижение научного интереса при отсутствии финансовой возможности решения научной задачи. Например, в нашей области есть пока еще нерешенные задачи, связанные с внедрением наших покрытий на сплавах магния в хирургическую практику. А это проведение дорогостоящих доклинических и клинических испытаний.

Поэтому молодым ученым, только начинающим свой путь в науке, я пожелал бы уверенности в себе и упорства в учебе. Если ты сам не веришь в себя, то никто в тебя не поверит. Для ученого, вне зависимости от его возраста, важным качеством является целеустремленность. И, естественно, нужно любить, то дело, которым ты занимаешься, потому что без любви ничего не получится ни в жизни, ни в науке.

— Какие научные задачи хотелось бы решить в будущем? О чем мечтаете?

 — Продвижение той работы, которой сейчас занимается наш коллектив, является важной задачей — как для меня, так и для моих наставников и учеников. В нашей области важно продолжать находить новые уникальные методы обработки и исследования свойств материалов. Моя мечта не отличается оригинальностью. Поскольку цель и задача любого ученого — получение новых фундаментальных знаний и их практическая реализация, выводящие на качественно новый прогрессивный уровень развития своей страны.

Беседовала Анна Шиховец